本發(fā)明涉及一種石墨烯粉體及以合成氣為原料制備其的方法與應用，屬于石墨烯材料。

背景技術：

1、石墨烯以其在聲、光、電、熱等方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性質(zhì)，引起了研究者的廣泛關注，具有廣闊的應用前景。目前主流的石墨烯制備方法分為自上而下法和自下而上法兩大類。其中，自上而下法主要是通過對石墨原料進行剝離處理制備石墨烯粉體，過程涉及溶液處理，會給石墨烯粉體帶來較多的污染物存留；而自下而上法一般需要較高的能量實現(xiàn)碳源裂解以得到品質(zhì)較高的石墨烯，其生長條件苛刻，生產(chǎn)成本較高。污染物存留或生產(chǎn)成本高均會影響石墨烯的應用。

2、目前用于制備高品質(zhì)石墨烯的原料主要為烴類(甲烷、乙烯、乙炔等)及醇類(甲醇、乙醇等)等高純度小分子物質(zhì)，成本較高。在石油加工過程中，合成氣作為一種重要的原料氣，其來源廣泛(例如可由煤或焦炭等固體燃料氣化產(chǎn)生，也可由天然氣和石腦油等輕質(zhì)烴類制取，還可由重油經(jīng)部分氧化制取)，用途多樣，主要成分為co和h2，且可以根據(jù)需求，對其成分比例進行調(diào)整。

3、此外，現(xiàn)有大多數(shù)石墨烯粉體的自下而上制備方法多集中于采用化學氣相沉積技術，但該技術需要結(jié)合高溫裂解、等離子體、模板等條件，需要額外的熱源、模板等，生產(chǎn)成本高，工藝流程復雜。

4、因此，提供一種新型的以合成氣為原料制備石墨烯粉體的方法及所得石墨烯粉體和其應用已經(jīng)成為本領域亟需解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決上述的缺點和不足，本發(fā)明的一個目的在于提供一種以合成氣為原料制備石墨烯粉體的方法。本發(fā)明提供的方法以石油化工領域常用的合成氣為碳源，通過微波等離子體技術，于反應區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)碳源裂解、成核、生長等過程，在反應器(如圖1中的石英管)尾端即可收集石墨烯粉體，無需后處理過程實現(xiàn)了高品質(zhì)石墨烯粉體的制備。

2、本發(fā)明的另一個目的還在于提供一種石墨烯粉體，其由上述以合成氣為原料制備石墨烯粉體的方法制得。

3、本發(fā)明的又一個目的還在于以上所述石墨烯粉體作為增強材料的應用。

4、為了實現(xiàn)以上目的，一方面，本發(fā)明提供了一種以合成氣為原料制備石墨烯粉體的方法，其中，所述方法包括以下步驟：

5、步驟(1)：在高真空條件下，于微波等離子體裝置中以惰性氣體為背景氣，在微波作用下自發(fā)產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光等離子體；

6、步驟(2)：增大惰性氣體的流量，同時提高微波的輸出功率，并提高體系壓力至微負壓狀態(tài)，以使輝光等離子體發(fā)生轉(zhuǎn)變，使體系為輝光等離子體與電弧并存的狀態(tài)；

7、步驟(3)：向微波等離子體裝置中通入合成氣，在輝光等離子體和電弧的作用下，合成氣分子受到高能粒子，即步驟(1)中產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光等離子體過程中形成的電子、離子等的撞擊發(fā)生裂解，裂解后的碳物種成核、生長得到石墨烯粉體。

8、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，所述惰性氣體包括氬氣、氮氣及氦氣等中的一種或者幾種的組合。

9、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(1)中，所述高真空條件包括：壓力為-0.05至-0.1mpa。

10、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(1)中，所述惰性氣體的流量為200-500sccm，微波的輸出功率為300-600w。

11、本發(fā)明以上所述方法的步驟(1)中，高真空條件下，工質(zhì)氣體(即所述惰性氣體)在微波高頻電場作用下，其中存在的少量自由電子被加速具有動能并迫使它們與其他未發(fā)生電離的惰性氣體分子進行碰撞，從而產(chǎn)生足夠的二次電子，當產(chǎn)生的電子數(shù)大于或等于失去的電子數(shù)時，將發(fā)生惰性氣體擊穿并觸發(fā)放電，此時可產(chǎn)生顏色均一穩(wěn)定的輝光等離子體。

12、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(2)中，所述惰性氣體的流量為1000-5000sccm，微波的輸出功率為1000-2000w。

13、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(2)中，所述微負壓狀態(tài)對應的壓力大于等于-0.02mpa，小于0mpa，即壓力(p)的范圍為-0.02≤p＜0。

14、本發(fā)明以合成氣作為碳源制備石墨烯粉體，合成氣為化工生產(chǎn)中使用的重要原料，其來源包括但不限于重油部分氧化、輕質(zhì)油蒸汽轉(zhuǎn)化、煤蒸汽轉(zhuǎn)化等方法所得到的合成氣。

15、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(3)中，所述合成氣中，co的體積分數(shù)為40％以上，h2的體積分數(shù)為40％以上。

16、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(3)中，所述合成氣中，co的體積分數(shù)為45％以上，h2的體積分數(shù)為45％以上。

17、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(3)中，所述合成氣中，co的體積分數(shù)為45-55％，h2的體積分數(shù)為55-45％。此時，合成氣由co和h2組成，可避免合成氣中所含雜質(zhì)對石墨烯粉體品質(zhì)造成的不利影響。

18、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(3)中，所述合成氣的流量為5-200sccm。

19、作為本發(fā)明以上所述方法的一具體實施方式，其中，步驟(3)中，反應時間為1h以上。

20、本發(fā)明以上所述方法的步驟(2)和步驟(3)中，體系壓力為微負壓狀態(tài)有利于反應產(chǎn)物離開反應體系，從反應平衡的角度考慮，其可促進反應的進行；步驟(1)先在高真空條件下，即負壓條件下可實現(xiàn)等離子體的自引發(fā)，隨后將體系壓力調(diào)節(jié)至微負壓狀態(tài)有助于等離子體長時間保持激發(fā)狀態(tài)，不會隨時間的延長發(fā)生混亂甚至熄滅的情況，體系反饋微波功率可在長時間內(nèi)保持為零，即微波能量全部作用于工質(zhì)氣體，避免能量浪費；此外，微負壓狀態(tài)下，輝光等離子體和電弧并存，呈現(xiàn)一種動態(tài)平衡，可有效擴大電弧范圍，即可以擴大碳源裂解成核范圍，利于碳源的裂解成核過程的發(fā)生；另，輝光等離子體和電弧局部(主要是其中的電弧部分)具有超高溫度，溫度可達幾千k，且作用范圍較小，與微波等離子體裝置中的反應器邊緣呈現(xiàn)較大的溫度梯度，高達幾千k的溫度也足以提供碳源裂解的能量，并且隨溫度梯度的變化，裂解組分逐漸發(fā)生成核生長過程，得到石墨烯粉體。此外，微負壓狀態(tài)有利于等離子體狀態(tài)長時間維持穩(wěn)定，時間可達1h以上，由此，步驟(3)中的生長時間占比大幅提升，從而可降低操作難度。

21、另一方面，本發(fā)明還提供了一種石墨烯粉體，其由以上所述的以合成氣為原料制備石墨烯粉體的方法制得。

22、作為本發(fā)明以上所述石墨烯粉體的一具體實施方式，其中，所述石墨烯粉體的比表面積>250m2/g，拉曼結(jié)果顯示id/ig<0.4，i2d/ig>0.6，碳氧原子的百分含量比，即c/o>40，雜質(zhì)含量～0％。

23、又一方面，本發(fā)明還提供了以上所述石墨烯粉體作為增強材料的應用。

24、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明所能達成的有益技術效果包括：

25、1)本發(fā)明提供的以合成氣為原料制備石墨烯粉體的方法在對合成氣進行微波等離子體放電處理后獲得了雜質(zhì)含量低石墨化程度高的石墨烯粉體，制備過程中通過微波等離子體放電同步提供了碳源裂解及石墨烯成核生長所需的能量，不需要額外的熱源、模板等條件，并且制備得到的石墨烯純度高、品質(zhì)高，在增強材料、生物醫(yī)藥等領域具有較大的市場競爭力。

26、2)本發(fā)明提供的方法以來源廣泛的合成氣作為碳源，為其高附加值應用提供了有效途徑。

27、3)本發(fā)明提供的以石油化工領域常用的合成氣為原料制備石墨烯粉體的方法操作簡單，容易實現(xiàn)批量制備，適合工業(yè)化生產(chǎn)。